CN102117128A - 高解析度图像感测装置及其图像运动感测方法 - Google Patents

高解析度图像感测装置及其图像运动感测方法 Download PDF

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Abstract

一种图像运动感测方法，适用于一图像感测装置，包括：撷取多个感测画面，每个感测画面分别包括一图像的图像位置信息；从感测画面中选取一基准画面及位于基准画面之后的一参考画面；于基准画面的一基准比对范围及参考画面的一参考比对范围内，比对图像在基准画面及参考画面中的图像位置信息，以产生一位移信息；根据位移信息决定一比对范围大小；根据比对范围大小更新参考比对范围；选取次于该参考画面的一个感测画面以更新参考画面；根据比对范围大小更新该基准画面的基准比对范围；及返回比对该等图像位置信息的步骤。

Description

高解析度图像感测装置及其图像运动感测方法
技术领域
本发明涉及一种图像感测装置及其图像感测方法，尤其涉及一种高解析度的图像感测装置及精确感测运动方向的图像感测方法。
背景技术
图像感测装置可通过连续感测图像并比对图像变化的方式，判断感测装置的运动轨迹，甚至算出移动的速率。而在判断运动轨迹，如移动的方向、位移量等信息时，是由图像感测装置中的处理单元依序比对每张被感测到的画面(frame)中的图像信息，经过数次的比对和运算后而获得。
目前已知用来计算运动轨迹的方法，是由连续被感测到的先、后张画面分为做为被比较的基准画面和比对画面进行图像位置的比对，若两张画面比对出来的图像位置没有任何变化，就保留做为比对基准的画面(即较早被感测到的画面)，然后舍弃比对画面后，再取下一个画面做为比对画面和原基准画面比对；当在两个画面中发现图像位置有任何微幅改变时，公知的作法即是以当时的比对画面取代原先的基准画面后，由新的基准画面再与下一个画面继续比对，直到图像的位置改变程度到达一计算的门坎，例如位移了完整的一个像素的位置，由此可计算出图像感测装置运动时旋转或偏向的角度。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种高解析度图像感测装置及其图像运动感测方法。
本发明的其中一种实行方式提供一种图像运动感测方法实施例，适用于一图像感测装置，包括：撷取多个感测画面，每个感测画面分别包括一图像的一图像位置信息；从该等感测画面中选取一基准画面及位于基准画面之后的一参考画面；于该基准画面的一基准比对范围及该参考画面的一参考比对范围内，比对该图像在该基准画面及该参考画面中的该等图像位置信息，以产生一位移信息；根据该位移信息决定一比对范围大小；根据该比对范围大小更新该参考比对范围；选取次于该参考画面的一个该等感测画面以更新该参考画面；根据该比对范围大小更新该基准画面的该基准比对范围；及返回比对该等图像位置信息的步骤。
本发明的另一个实施方案提供了一种高解析图像感测装置实施例，包括：一二维感测单元，用以连续感测具有一图像的多感测画面，该等感测画面分别包括该图像的一图像位置信息；一记录单元，记录该等感测画面，包括：一基准缓存器，暂存该等感测画面中的一基准画面；及一参考缓存器，暂存该等感测画面中的一参考画面；一处理单元，包括：一画面选取单元，选取该基准画面后的一个该等感测画面为该参考画面；一图像比对单元，比对该基准画面与该参考画面的该等图像位置，产生该图像的一位移信息；一范围选取单元，根据该位移信息选取该参考画面的至少一部分为一比对范围；其中，该画面选取单元根据该图像比对单元的比对，选取该参考画面的次一该等感测画面以更新为该参考缓存器所暂存的该参考画面，该范围选取单元根据该基准画面的该图像位置信息选取该基准画面的该比对范围，该图像比对单元分别于该基准画面及该参考画面的该比对范围中，比对该等图像位置。
附图说明
图1为本发明所提供一种高解析度图像感测装置实施例的方块图；
图2为本发明所提供一种运动感测方法实施例的流程图；
图3A及图3B为本发明所提供运动感测方法实施例中各感测画面的比对示意图；及
图4为根据图像位移产生运动角度的示意图。
附图标记：
1   图像感测装置
10  二维感测单元
12  记录单元
120 基准缓存器
122 参考缓存器
14  处理单元
140 画面选取单元
142 图像比对单元
144 范围选取单元
a-f 感测画面
a1-a4 基准画面
31-35 基准比对范围
41-45 参考比对范围
60 图像
50，52 画面
61，62 基准图像位置
63 参考图像位置
θ1，θ2 角度
S201-S219 流程步骤
具体实施方式
图1为本发明所提供的一种具高解析度的图像感测装置实施例的方块图。本例中的图像感测装置1包括有一二维感测单元10、一记录单元12及一处理单元14。
二维感测单元10具有多个感测元素，每个感测元素用于感测物体而分别产生光信号，以形成显示一图像的一感测画面；所述的二维感测单元10包括面型传感器(area sensor)或由二排以上的线型传感器(1inear sensor)平行排列所组成，可随着图像感测装置1的移动而持续感测多个感测画面。
记录单元12用以记录二维感测单元10所感测到的感测画面，每个感测画面包括对应于感测元素而排列成二维数组的多个像素，二维感测单元10所感测到的物体即通过光信号表现在感测画面的各个像素当中。记录单元12中还包括一基准缓存器120及一参考缓存器122，分别用以暂存从多个连续被感测到的感测画面中所选取出的一基准画面及一参考画面。参考画面为顺序在基准画面的后的感测画面。
处理单元14则包括一画面选取单元140、一图像比对单元142及一范围选取单元144。其中，画面选取单元140即用于从多个感测画面中选取出上述的基准画面(base frame)及参考画面(sampling frame)，并将二者分别存放到基准缓存器120和参考缓存器122中。图像比对单元142读取二个缓存器120、122中所存放的画面，并比对基准画面及参考画面中的图像的图像位置信息，以产生所述图像在此二个画面中的一位移信息，包括：所述图像从基准画面到参考画面中的位移量及位移方向。
范围选取单元144根据图像比对单元142经比对所产生的位移信息，计算出下一次进行比对时的一比对范围大小，同时依照本次进行比对的参考画面的图像位置信息，决定下一次进行比对时，暂存于参考缓存器122的参考画面当中，所应被选取出来用以进行图像比对的参考比对范围，换言之，即为参考画面中的像素范围。此外，范围选取单元144亦根据计算出来的比对范围大小，配合基准画面中图像的图像位置信息，以决定下一次进行比对时，基准画面中的基准比对范围，亦即基准画面中所应被选取出来与参考比对范围比较的像素范围。
画面选取单元140在前一次进行比对而产生位移信息后，即选取原参考画面的次一个感测画面为新的参考画面，并存放到参考缓存器122当中，以供图像比对单元142再度从二个缓存器120、122中分别读出原有的基准画面及新存入的参考画面，同时根据范围选取单元144所决定的基准比对范围及参考比对范围，在基准画面和新的参考画面中比对图像的图像位置信息，以产生新的位移信息。
其中，由于感测图像为二维数组所组成的像素画面，因此位移信息中的位移方向可能有二个维度，包括x轴方向及y轴方向位移，当图像比对单元142判断比对出的位移方向仅有一个维度(例如仅有y轴方向的位移)时，画面选取单元140即不更新基准画面，仅选取原参考画面的次一个感测画面来更新参考画面；然而，若经过图像比对单元142的比对，判断出基准画面中的图像位置信息与参考画面中的图像位置信息同时产生二个维度的方向变化后，画面选取单元140除了将原参考画面的次一个感测画面存入参考缓存器122以作为新的参考画面之外，更同时将原参考画面存入基准缓存器120，以作为新的基准画面。
由于图像感测装置1在比对图像的位移信息过程中，除了二个维度的方向皆有变化的情况之外，都只更新参考画面而不变动基准画面，此种作法使得图像感测装置1可以辨识出较小角度的倾斜，相较于一般仅以前后二个感测画面的位移信息来判断图像感测装置的移动角度的手段，能够更细致地表现出图像感测装置1移动时的轨迹。此外，每一次的比对后，根据图像的位移信息选取出次回比对的基准比对范围及参考比对范围，可逐次减少图像比对单元142必须处理的像素数量，降低处理单元14整体的运算量和提升运算效能。
图2提供一种图像运动感测方法实施例的流程图，请一并参照图1所示的元件。首先，二维感测单元10依照一定的时间间隔，连续接收多个包括图像的感测画面，每个感测画面都包括被感测到的图像的图像位置信息(S201)；处理单元14的画面选取单元140实时从上述感测画面中依序选取一感测画面为基准画面存入基准缓存器120(S203)，以及从被选取为基准画面的感测画面之后，再选取一个感测画面为一参考画面(如基准画面的次一个感测画面)，并存入参考缓存器122当中(S205)。
所述图像随时间的经过及图像感测装置1的移动，在每一感测画面当中可能处于不同的位置，因此每个感测画面中的图像位置信息亦皆不同，所述的图像位置信息如所述图像在感测画面当中所在的像素坐标。处理单元14中的图像比对单元142即分别从基准缓存器120及参考缓存器122中读取出被画面选取单元140所选取的基准画面和参考画面，并比对此二个画面中的图像位置信息，以得知在感测到此二个画面所经过的时间内图像位置信息的变化，并产生该图像的一位移信息(S207)。所述的位移信息包括该图像在此二个画面中产生的位移量及位移方向。
接着更判断位移信息中的位移方向是否同时包括二个维度的变化，亦即判断参考画面中的图像位置信息与基准画面中的图像位置信息是否在x轴方向及y轴方向上都有变化(S209)：若是，则可利用此二个受比对的画面中的图像位置信息、位移量及位移方向，计算出图像感测装置1的移动角度；同时，为了继续侦测图像感测装置1的运动，更进一步将此时的参考画面存入基准缓存器120作为新的基准画面(S211)，再返回步骤S205以下，进行下一次的比对。
然而，若于比对后判断出位移信息中仅具有一个维度的位移方向，例如图像单纯向二个维度中的其中一个维度的方向移动(例如垂直或水平位移)，或是图像虽有二个维度的位移，但其中第一个维度(如x轴方向)的位移量小于第二个维度(如y轴方向)的位移量时，仍判断为该图像只针对第二个维度(即y轴方向)产生移动变化。此时即根据比对出来的位移信息调整一比对范围大小(S213)。例如：位移信息的位移方向显示图像二维方向中的第一维(如y轴方向)位移了2个像素，则将图像在感测画面中的比对范围大小，整个感测画面缩小为减少第一维方向2个像素的大小。
调整过比对范围大小后，亦需决定缩小后的比对画面大小应适用于参考画面和基准画面的何处。因此，范围选取单元144根据比对范围大小及此参考画面的图像在该画面中的参考起始位置，以决定下一个参考画面用于进行比对的参考比对范围(S215)；决定好参考比对范围后，即可由画面选取单元140选取次一个感测画面做为新的参考画面(S217)，并且适用前一步骤S215所决定的参考比对范围。最后，由于参考画面中用于比对运算的参考比对范围改变，基准画面中的比对范围也应相对应调整，才能顺利进行像素数据运算；因此图像比对单元142亦根据比对范围大小，配合基准画面的图像位置信息以更新基准画面的基准比对范围(S219)，以便与新的参考画面进行比对，接着再返回步骤S207，在更新后的参考比对范围和更新后的基准比对范围中，比对图像以得到新的位移信息。
为便于了解本发明的实施手段，以下请参照图3A及图3B所举出的一具体例示进行说明。
图3A中显示了由二维感测单元依据一定时间间隔所依序感测到的感测画面a到f，感测画面a到f皆由x轴方向二个像素(0到1)及y轴方向8个像素(0到7)的数组所组成，每一感测画面a到f中皆包括一图像60，图像60在每一感测画面a到f中的像素位置(即图像位置信息)皆不同。以第一个感测画面a为例，图像60的像素位置在(0，0)，而到了感测画面b时，图像60的像素位置则介于(0，1)和(1，1)之间，随着接续在后的感测画面c到e，图像60的像素位置都介在x轴方向的第一个像素和第二个像素间，而y轴方向则是每次正向位移一个像素，直到感测画面f中，图像60的像素位置才转移到(1，5)之处。
本实施例中，画面选取单元分别选取感测画面a和感测画面b为基准画面和参考画面，并由图像比对单元在基准画面的基准比对范围31及参考画面的参考比对范围41内，比对图像60的图像位置信息。由于感测画面a及b为本实施例的首二个感测画面，因此比对范围即包含组成整个感测画面的所有二维像素。基准画面中的图像位置信息为(0，0)，而参考画面中的图像位置信息为(0，1)，经比对后可得到位移方向为向y轴方向正向移动、位移量为1像素的位移信息。
由于仅具有一个维度的位移方向，因此画面选取单元不更新基准画面，仍为感测画面a，并继续根据位移信息计算出一个比对范围大小：在本实施例中，图像于y轴方向位移1像素，计算出比对范围大小从y轴方向缩减1像素，因此比对范围大小自原本的二行八列的数组，缩减为二行七列的数组。调整好比对范围大小后，更依据参考画面中的图像的图像位置信息，计算出参考画面所适用的比对范围大小的参考起始位置，以得知参考画面的一参考比对范围：以本例而言，根据作为参考画面的感测画面b的图像位置信息，参考画面的比对范围为参考起始位置在(0，1)起算的二行七列像素数组中，即感测画面b的(0，1)到(1，7)所包围的像素位置当中。
接着，画面选取单元即选取感测画面c取代感测画面b为新的参考画面，并且适用上述计算出来的参考比对范围，从感测画面c中撷取出(0，1)到(1，7)所包围的像素位置作为参考比对范围42，以供比对。
为了与参考比对范围中的像素进行比对，基准画面亦需撷取出相同的比对范围大小；因此，基准画面即依据图像60所在的图像位置信息(0，0)开始撷取二行七列的像素位置作为基准比对范围32(请参照图3B所示a1)，亦即从(0，0)到(1，6)所包括的像素位置；其中，像素位置(0，0)亦为基准比对范围32的基准起始位置。
接着，处理单元即可在基准画面a的基准比对范围32中(参照图3B a1)与更新后的参考画面(即感测画面c)的参考比对范围42中，再度进行图像60的图像位置信息比对。
在基准比对范围32与参考比对范围42当中，图像60的位移方向仍然向y轴方向正向移动，而其位移量的变化则是从基准比对范围32的起始位置向y轴方向位移了1个像素，而到达参考比对范围42的y轴方向的第二个位置。因此当需要再度计算下一次的比对范围大小时，则以参考比对范围42与参考画面c及基准画面a所比对出的位移信息进行调整。因此，再度调整后的比对范围大小为二行六列的数组，并根据参考画面c的图像位置信息，于选取了次一个感测画面d为新的参考画面后，以感测画面d的像素位置(0，2)到(1，7)所包围的范围作为参考比对范围43。基准画面亦再度根据更新过的比对范围大小，从感测画面的(0，0)像素起，选取二行六列的像素作为基准比对范围33(参阅图3B a2)。
选取感测画面e作为参考画面时亦依此类推，选取像位置(0，3)到(1，7)的范围作为参考比对范围44，基准画面亦选取(0，0)到(1，4)为基准比对范围34(参照图3B a3)。
在本实施例中，直到选取感测画面f为参考画面，并在参考比对范围45与基准画面的基准比对范围35内(图3B a4)比对图像位置信息，以获得位移信息。其中，参考比对范围45中的图像相较于基准比对范围35中的图像向x轴方向及y轴方向分别位移1像素，亦即二维方向都产生位移，此时即可利用图像最初在基准画面a中的图像位置信息(0，0)，以及图像最后在参考画面f中的图像位置信息(1，5)计算出图像感测装置向y轴方向移动时偏离的角度。并且以感测画面f作为新的基准画面，继续和感测画面f之后的其他感测画面进行比对。
根据上述实施例所计算出的图像的位移信息，可辨识出较小角度的轨迹变化，参照图4，画面50当中的基准图像位置61与参考图像位置63如上述以感测画面a与感测画面f的图像位置比对所得到的位移信息，可计算出图像感测装置从感测画面a到感测画面f所经过的时间当中，主要朝向y轴方向移动，但在x轴方向产生了角度θ1的倾斜。相较之下，画面52的基准图像位置62(0，4)与参考图像位置63(1，5)来自前、后两个感测画面所取得的资料，即使此时x轴方向及y轴方向都产生位移量，所计算出来的倾斜角度θ2仅能为45度的大角度，与图像感测装置实际上的运动方向产生过大的落差。
根据本发明所提供的图像感测装置，只需要两扁平电缆性传感器，当线性传感器的感测元件越多，即可在一角度范围内切分越多的角度；而线性传感器的排数增加、或由多个线性传感器水平及垂置排列、或感测单元为面型传感器时，其可含括的角度范围也越广，更能细致表现出图像感测装置的实际运动方向。
然而，上述各实施例当中的项目及元件，仅为阐述本发明所举的例示，并无自限所请求保护的权利要求保护范围的意图。凡遵循本发明的精神及根据本发明所揭示的技术手段，而进行微幅的修改或改变者，亦属本发明权利要求所保护的范围内。

Claims (10)

1.一种具高解析度的图像感测装置，其特征在于，包括：
一二维感测单元，用以连续感测具有一图像的多个感测画面，该等感测画面分别包括该图像的一图像位置信息；
一记录单元，记录该等感测画面，包括：
一基准缓存器，暂存该等感测画面中的一基准画面；及
一参考缓存器，暂存该等感测画面中的一参考画面；
一处理单元，包括：
一画面选取单元，选取该基准画面后的一个该等感测画面为该参考画面；
一图像比对单元，比对该基准画面与该参考画面的该等图像位置，产生该图像的一位移信息；
一范围选取单元，根据该位移信息选取该参考画面的至少一部分为一比对范围；
其中，该画面选取单元根据该图像比对单元的比对，选取该参考画面的次一该等感测画面以更新为该参考缓存器所暂存的该参考画面，该范围选取单元根据该基准画面的该图像位置信息选取该基准画面的该比对范围，该图像比对单元分别于该基准画面及该参考画面的该比对范围中，比对该等图像位置。
2.如权利要求1所述具高解析度的图像感测装置，其特征在于，该二维感测单元包括多个感测元素，该等感测画面包括相对于该等感测元素的多个像素。
3.如权利要求2所述具高解析度的图像感测装置，其特征在于，该二维感测单元为一面型传感器或二个以上并排的线型传感器。
4.如权利要求1所述具高解析度的图像感测装置，其特征在于，该画面选取单元将被选取的该基准画面及该参考画面分别存放至该基准缓存器及该参考缓存器。
5.如权利要求1所述具高解析度的图像感测装置，其特征在于，该画面选取单元将被选取的该基准画面存放至该基准缓存器，并选取该参考画面中位于该比对范围内的画面存被至该参考缓存器。
6.如权利要求1所述具高解析度的图像感测装置，其特征在于，该位移信息包括该图像的一位移方向及一位移量，该位移量包括一第一维位移量及一第二维位移量，当该第一维位移量及该第二维位移量皆产生变化时，该画面选取单元将该参考画面更新为新的该基准画面。
7.一种图像运动感测方法，适用于一图像感测装置，该图像感测装置包括一二维感测单元、一记录单元及一处理单元，其特征在于，包括：
撷取多个感测画面，该等感测画面分别包括一图像的一图像位置信息，其中，每一该等感测画面为多个像素组成的一二维数组；
从该等感测画面中选取一基准画面；
从该等感测画面中选取一参考画面，该参考画面撷取顺序在该基准画面之后；
于该基准画面的一基准比对范围及该参考画面的一参考比对范围内，比对该图像在该基准画面及该参考画面中的该等图像位置信息，以产生一位移信息；
根据该位移信息决定一比对范围大小；
根据该比对范围大小更新该参考比对范围；
选取次于该参考画面的一个该等感测画面以更新该参考画面，并适用更新后的该参考比对范围；
根据该比对范围大小更新该基准画面的该基准比对范围；及
返回比对该等图像位置信息的步骤。
8.如权利要求7所述的图像运动感测方法，其特征在于，该位移信息包括该图像的一位移量及一位移方向，该参考比对范围包括该参考比对范围在该参考画面中的一参考起始位置。
9.如权利要求8所述的图像运动感测方法，其特征在于，根据该比对范围大小更新该参考比对范围的步骤中包括：
该参考画面根据该位移信息更新该参考起始位置；及
该参考画面根据更新后的该参考起始位置及该比对范围大小以决定更新的该参考比对范围。
10.如权利要求8所述的图像运动感测方法，其特征在于，根据该比对范围大小更新该基准比对范围的步骤中包括：
该基准画面根据该图像位置信息及该比对范围大小以决定更新的该参考比对范围。
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